DE2833893A1

DE2833893A1 - Magnetisch gelagerter bzw. getragener sich drehender koerper

Info

Publication number: DE2833893A1
Application number: DE19782833893
Authority: DE
Inventors: Pierre Poubeau
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1977-08-03
Filing date: 1978-08-02
Publication date: 1979-02-15
Also published as: CH625647A5; IT1107554B; NL7808069A; US4363525A; BE869208A; JPS5449440A; FR2399758A1; AU3847078A; CA1091283A; IT7850487A0; SE7807977L; ZA784249B; FR2399758B1; GB2002929A

Description

Körper, die in sehr schnelle Rotation versetzt werden müssen, um gewisse besondere Aufgaben zu erfüllen, können grundsätzlich in zwei Klassen eingeteilt werden, d.h. in eine erste Klasse von. Körpern, bei denen es auf die kinetische Energie ankommt und die unter der allgemeinen Bezeichnung Trägheitsbzw. Schwungräder (momentum wheel) bekannt sind, und eine zweite Klasse von Körpern, bei denen die Rotationsgeschwindigkeit Verwendung findet, um verschiedene Fluide zu behandeln, und unter die man im allgemeinen sich drehende Vorrichtungen wie Zentrifugen, Ultrazentrifugen, Molekularpumpen und Turbinen einreihen kann.

Die technische Konzeption dieser Körper unterscheidet sich sehr stark, je nachdem, ob sie zur ersten oder zur zweiten Klasse gehören, doch haben sie auch mehrere Eigenschaften bzw. Gesichtspunkte gemeinsam, insbesondere was den Rotor, die Lager und die Antriebsvorrichtungen betrifft.

So haben die Körper der ersten Klasse im allgemeinen, jedoch nicht ausschließlich, ihren Statorteil innen und ihren Rotorteil außen, damit auf der außenliegenden Felge der größtmögliche Teil der nutzbaren Kasse konzentriert werden kann.

Die Körper der zweiten Klasse haben im Gegensatz hierzu im allgemeinen, jedoch nicht ausschließlich, ihren Statorteil außen und ihren Rotorteil innen, damit die gesamte Einheit auf einfache Weise dicht gemacht werden kann und/oder um einen mechanischen Schutz für den Fall eines mit einem Rotorbruch verbundenen Unfalls sicherzustellen.

Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß im Rahmen der Erfindung alle diese sich drehenden Körper folgende Teile in gleicher Weise aufweisen können:

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- Magnetvorrichtungen, die in radialer Richtung passive und in axialer Richtung aktive Lager bilden;

- eine spezielle elektromagnetische Antriebsvorrichtung, die keine radiale Wechselwirkung mit diesen Lagern erzeugt und hierdurch die Verluste durch Hysterese und Wirbelströme möglichst gering hält;

- Vorrichtungen, die den Rotor so ausbilden, daß er der Zentrifugalkraft widerstehen kann und gegebenenfalls Dämpfungsvorrichtungen, wenn sich dies beispielsweise beim Auftreten von mit kritischen Geschwindigkeiten verbundenen Phänomenen als nötig erweist.

Obwohl alle diese Vorrichtungen jeweils für sich in verschiedenen fran Z.Patentschriften, und Patentanmeldungen der Anmelderin beschrieben sind, hat sich geze.ist, daß die besonderen

bisher Eigenschaften dieser Vorrichtungen es/nicht ermöglichten, ihre Anwendung auf alle die im vorliegenden Fall betrachteten sich drehenden Körper auszudehnen.

Demgegenüber schafft die Erfindung eine neue Anordnung der oben beschriebenen Vorrichtungen in der Weise, daß der Teil, der sich zwischen den Lagern erstreckt, völlig freigelassen wird, damit es möglich wird, in bequemer Weise aktive Nutzelement e einzubauen, die auf dem Rotorteil angeordnet sind, gleich ob sich dieser in einer inneren oder einer äußeren Konfiguration bzw. Anordnung befindet.

Im einzelnen sei im folgenden kurz auf folgende französische Patentanmeldungen und Patentschriften hingewiesen:

- Die französische Patentanmeldung Nr. 74 00 190 (entsprechend der deutschen Patentanmeldung P 25 00 211.3) beschreibt ein Trägheits- bzw. Schwungrad für einen Satelliten, das folgende Teile umfaßt: einerseits zwei Magnetlager, die mit Magneten mit axialem Fluß in radialer Richtung passiv und mit einem Magnetfeld eines radialen Luftspaltes in axialer Richtung aktiv sind und mit

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einer Regelvorrichtung mit einem Detektor für die axiale Geschwindigkeit, sowie andererseits zwei Wirbelstromdämpfer sowie eine spezielle Befestigungsvorrichtung für die Felge am Rotor durch Wickeln im sogenannten "Zykloprofil" und ein Sicherheitslager.

- Die französische Zusatzanmeldung Nr. 7^ 4-0 556 (ebenfalls entsprechend der deutschen Patentanmeldung P 25 00 211.3) beschreibt eine andere Ausführungsform des in axialer Richtung aktiven Magnetlagers mit einem Magnetfeld eines axialen Luftspaltes und einer Regelvorrichtung mit einem Detektor für die axiale Geschwindigkeit, sowie mit Sicherheitslagern.

- Die französische Patentschrift 69 24 210 (entsprechend der deutschen Patentanmeldung P 20 35 397·3) beschreibt einen elektromagnetischen Motor mit axialen aktiven Windungen und einem Ring aus Permanentmagneten mit !Commutations- bzw. Umschaltdetektoren.

Die französische Patentschrift 70 08 394 beschreibt einen Rotor, der radiale Zwischenwände besitzt, die durch eine subzirkulare Faden-Wicklung einer Vorkompression unterworfen sind.

Ein genaueres Studium dieser Vorrichtungen zeigt, daß es schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist, aus ihnen eine Einheit zu bilden, die in der Lage ist, die Vielzahl von Problemen zu lösen, die sich bei sich drehenden Körpern stellen.

Demgegenüber werden bei der erfindungsgemäßen Lösung alle diese Vorrichtungen gemäß einer neuen und einzigartigen Anordnung untergebracht, die eine optimale Ausnützung des nutzbaren Zentralbereiches ermöglicht und es als Folge hiervon erlaubt, alle die Probleme zu lösen, die sich bei sich

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drehenden Körpern der beiden oben erwähnten Klassen ergeben.

Gemäß dieser neuen und einzigartigen erfindungsgemäßen Anordnung sind die passiven Elemente der Lager und die gegebenenfalls vorhandenen Wirbelstromdämpfer soweit als irgend möglich zu den axialen Randbereichen hin verschoben angeordnet, während das axial aktive Element der Magnetlager mit seinem Detektor für die axiale Geschwindigkeit sich in unmittelbarer Nachbarschaft des einen der passiven Lagerelemente befindet und sich auch die elektrodynamische Dreh-Antriebsvorrichtung in der unmittelbaren Nähe eines der passiven Lagerelemente befindet. Diese ganz spezielle Anordnung hat zur Folge, daß der gesamte Zentralbereich, der zwischen den die Lagerelemente, die gegebenenfalls vorhandenen Wirbelstromdämpfer und die Antriebsvorrichtung enthaltenden Zonen enthalten ist, verwendet werden kann, um den Einbau des Rotors mit seinen speziellen Elementen zu ermöglichen, gleichgültig ob es sich dabei um einen Rotor vom Felgentyp oder um einen Rotor mit Zykloprofil in der Konfiguration mit äußerem Rotorteil oder um einen Rotor mit Trennwänden und subzirkulären Wicklungen bei der Konfiguration mit internem bzw. innenliegendem Rotorteil handelt und dies alles unabhängig von dem Verhältnis Durchmesser/Länge des betrachteten sich drehenden Körpers.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt die einzige Figur eine zusammengesetzte erläuternde Schemadarstellung, die es ermöglicht, zu zeigen, wie das gestellte Problem im Rahmen der Erfindung gelöst werden kann, die in völlig neuartiger Weise verschiedene bereits bekannte Vorrichtungen miteinander kombiniert.

Diese Schemadarstellung ermöglicht es u.a. zu zeigen, daß alle magnetisch gelagerten bzw. aufgehängten Körper gemäß der Erfindung nach ihrer Funktion entweder in die Gruppe

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der Trägheitsräder oder in die Gruppe der sich drehenden Vorrichtungen vom Zentrifugentyp eingeteilt werden können.

Zu diesem Zweck ist der in der Figur dargestellte sich drehende Körper längs zweier zueinander orthogonaler Achsen, nämlich der vertikalen Achse X-X¹ und der horizontalen Achse X-Y¹ in vier Teile unterteilt, d.h. einen linken Teil, der mit dem allgemeinen Bezugszeichen A bezeichnet ist, und einen rechten Teil, der durch das allgemeine Bezugszeichen B bezeichnet ist.

Darüber hinaus ist jeder dieser Teile A und B seinerseits in einen"unteren^mit dem Bezugszeichen I bezeichneten und einen oberen, mit dem Bezugszeichen II bezeichneten Teil unterteilt.

Die verschiedenen Kombinationen von möglichen Vorrichtungen ergeben sich in klarer Weise aus dem Studium der Figur:

1. eine Kombination vom Typ AI führt zu Schwung- bzw. Trägheitsrädern, bei denen die außenliegende Masse in einem Volumen a außerhalb der Wand 1a enthalten ist.

2. Eine Kombination vom Typ All führt entweder zu Schwungbzw. Trägheitsrädern, bei denen die Masse in einem Volumen b in Anlage bzw. Abstützung gegen eine Außenwand 1a enthalten ist, oder zu einer Zentrifugenvorrichtung, bei der das Volumen b nutzbar ist.

5. Eine Kombination vom Typ BI führt entweder zu Schwungbzw. Trägheitsrädern, bei denen die Masse in einem Volumen c enthalten ist und subzirkular an Trenn- bzw. Scheidewänden d abgestützt bzw. befestigt ist, und bei denen ein dichtes Sicherheitsgehäuse 1b vorgesehen ist, oder zu Zentrifugenvorrichtungen, bei denen eine Wand in einem

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Volumen c eingeschlossen ist und sut>zirkulär und in dichter Weise an den Trenn- bzw. Scheidewänden d abgestützt ist, und bei denen ein dichtes Sicherheitsgehäuse 1b vorgesehen ist.

4-. Eine Kombination vom Typ BII führt entweder zu Schwungbzw. Trägheitsrädern, bei denen die Masse in einem Volumen e enthalten und an der Wand 2b' abgestützt ist und bei denen ein dichtes Sicherheitsgehäuse 1b vorgesehen ist, oder zu Zentrifugen-Anordnungen, bei denen das Volumen e nutzbar ist und bei denen ein dichtes Sicherheitsgehäuse 1b vorgesehen ist.

Man sieht, daß ganz gleich, zu welchem Typ die oben betrachteten Kombinationen gehören, alle die sich drehenden Körper die spezielle Vorrichtung im Bereich ihrer axialen Enden X oder X' gemeinsam haben: Die magnetischen Lager- bzw. Aufhängevorrichtungen, die Antriebsvorrichtungen und die gegebenenfalls vorhandenen Dämpfungsvorrichtungen sowie die Sicherheitslager, um den zentralen Bereich des sich drehenden Körpers vollständig nutzbar zu machen und dies unabhängig vom vorgesehenen Verhältnis der Länge zum Durchmesser.

Im übrigen umfassen, wie dies im einzelnen weiter unten noch gezeigt werden wird, alle die möglichen, in der Figur wiedergegebenen Kombinationen alle die in den früheren, oben erwähnten Patent/ und Patentanmeldungen der Anmelderin beschriebenen Elemente, jedoch in einer neuen und bis jetzt noch nicht bekannten Anordnung, die eine neue Kombination an sich bekannter Vorrichtungen bildet, die Gegenstand der Erfindung ist.

Die sich um die Achse XX¹ drehenden betrachteten Körper besitzen einen äußeren Rotorteil 1a und einen inneren Statorteil 2a in den beiden Konfigurationen A; einen inneren Rotor-

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teil 2b und einen äußeren Statorteil 1b in der Konfiguration B, wobei darauf hinzuweisen ist, daß diese im übrigen und bei einer Abwandlungsform entweder einen Typ mit Außenwand 2b' (Kombination von der Art BII) oder einen Typ mit Trenn- bzw. Scheidewänden d und einer subzirkularen Wicklung 2b" (Kombination von der Art BI) umfassen können.

Es soll nun unter Bezugnahme auf die Figur noch genauer gezeigt werden, daß, wie oben bereits erwähnt, Vorrichtungen, die an sich aus den obengenannten verschiedenen Patartsctnifbenurid Patentanmeldungen der Anmelderin bekannt sind, gemäß der Erfindung in einer neuen und exnzigartigen Anordnung verwendet werden, die diese Vorrichtungen an die äußerst möglichen axialen Grenzen des sich drehenden Körpers verlagert.

In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 3 die beiden radial passiven Magnetlager, wie sie in der französischen Patentanmeldung 7^ 00 190 (entsprechend der deutschen Patentanmeldung P 25 00 211.3) beschrieben sind.

Das Bezugszeichen 4 bezeichnet die beiden Wirbelstromdämpfer, die ebenfalls in dieser Patentanmeldung beschrieben sind und die gegebenenfalls verwendet werden, um auf bestimmte Phänomene einzuwirken, die mit dem Durchgang durch kritische Geschwindigkeiten verbunden sind.

Das Bezugszeichen 5 bezeichnet ein axial aktives Magnetlager, wie es in der französischen Patentanmeldung 74 40 556 (entsprechend der deutschen Patentanmeldung P 25 00 211.3) beschrieben ist.

Die Bezugszeichen 6 und 6¹ bezeichnen die Sicherheitslager für den Fall des innenliegenden Stators der Konfigurationen AI und All, und das Bezugszeichen 6" bezeichnet das Sicherheitslager im Fall des außenliegenden Stators der Konfiguration BII. Diese Lager sind von der Art, wie sie in der fran-

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zösischen Patentanmeldung 74- 4-0 556 "beschrieben wurden.

Das Bezugsζeichen 7 bezeichnet den Sicherheits-Schwenkzapfen im Fall des außenliegenden Stators der Konfiguration BI. Dieser Schwenkzapfen ist in der französischen Patentanmeldung 74- 4-0 556 beschrieben.

Das Bezugszeichen 8¹ bezeichnet den Motor für den Fall des innenliegenden Stators der Konfiguration All und das Bezugszeichen 8" bezeichnet den Motor im Fall des außenliegenden Stators der Konfiguration BII.

Diese Motoren sind von der Art, wie sie in der französischen Patentschrift 69 24- 210 (entsprechend der deutschen Patentanmeldung P 20 35 397-3) beschrieben sind.

Das Bezugszeichen 9¹ bezeichnet den Detektor für die axiale Geschwindigkeit im Fall des innenliegenden Stators der Konfiguration All und das Bezugszeichen 9" bezeichnet den Detektor für die. axiale Geschwindigkeit im Fall des außenliegenden Stators der Konfiguration BII. Diese Detektoren für die axiale Geschwindigkeit sind in der französischen Patentanmeldung 74- 4-0 556 beschrieben.

Das Bezugszeichen 10' bezeichnet den Detektor für die Motorumschaltung im Fall des innenliegenden Stators der Konfiguration All und das Bezugszeichen 10" bezeichnet den Detektor für die Motorkommutation im Fall des außenliegenden Stators der Konfiguration BII. Diese Detektoren für die Motorkommutation sind in der französischen Patentschrift 69 24- 210 beschrieben.

Es sei darauf hingewiesen, daß im übrigen die elektronischen Regelvorrichtungen für das axiale Lager 5, die von Signalen der Detektoren für die axiale Geschwindigkeit 9¹ oder 9" in Betrieb gesetzt werden, in einem Gehäuse enthalten sind,

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das durch die Bezugszeichen 11* oder 11" bezeichnet ist, während die elektronischen Vorrichtungen zur Motorkommutation des Motors, die dazu bestimmt sind, auf die Rotationsgeschwindigkeit des sich drehenden Körpers ausgehend· von Informationen einzuwirken, die sie von den Detektoren 10' und 10" sowie von außen her erhalten, in den Gehäusen 12' oder 12" enthalten sind.

Aufgrund und vermittels dieser einzigartigen Anordnung der verwendeten Vorrichtungen kann die Erfindung auf alle die Fälle angewendet werden, in denen sich ein Schwung- bzw. Trägheitsrad oder eine andere Drehvorrichtung in Magnetlagern vom in radialer Richtung passiven und in axialer Richtung aktiven Typ mit einer Regelung mit einem Geschwindigkeitsdetektor drehen muß, wobei in Jedem Fall im Zentralbereich der größtmögliche Raum verfügbar bleibt.

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Leerseire

Claims

Patentansprüche:

( 1./Magnetisch gelagerter, sich drehender Körper mit zwex radialen passiven Magnetlagern, zwei Sicherheits-Abstützsystemen, einem axialen aktiven Magnetlager, einem Antriebsmotor, einem Detektor für die axiale Geschwindigkeit und einem Detektor für die Motorkommutation, dadurch ge

kennzeichnet

daß alle diese Bestandteile

an den axialen Enden (X, X¹) angeordnet sind, um einen zentralen axialen Bereich freizumachen, in dem in der Trägheitsrad-Konfiguration eine umf.angsmäßig angeordnete Masse (a) in äußerer Abstützung angeordnet ist, die das Trägheitselement des sich drehenden Teils bildet.

2. Magnetisch gelagerter, sich drehender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß gemäß einer anderen Trägheitsrad-Konfiguration im freigelassenen Zentralbereich eine umfangsmäßig angeordnete Masse (b) in innerer

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MANlTZ · FINSTERWALD · HEYN · MORGAN · 8000 MÜNCHEN 22 · ROBERT-KOCH-STRASSE 1 · TEL. (089) 2242 11 · TELEX 05-29672 PATMF

ORIGINAL INSPECTED

Abstützung vorgesehen ist, die das Tragheitselement des
sich drehenden Teils bildet.

5. Magnetisch gelagerter, sich drehender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß gemäß einer anderen Ausführungsform in Trägheitsrad-Anordnung im freigelassenen Zentralbereich eine umfangsmäßig angeordnete Masse (c)
vorgesehen ist, die das Trägheitselement des sich drehenden
Teils bildet und subzirkular bzw. teilkreisförmig an Zwischenwänden (d) abgestützt bzw. befestigt ist.

4. Magnetisch gelagerter, sich drehender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß gemäß einer Ausführungsform in zentrifugenartiger Konfiguration in dem freigelassenen Zentralbereich ein sich drehender Manttl bzw.
Umfangskörper (e) innerhalb eines festen dichten Jeils (1b)
vorgesehen ist.

5« Magnetisch gelagerter, sich drehender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß gemäß einer Ausführungsform in zentrifugenartiger Konfiguration in dem freigelassenen Zentralbereich ein sich drehender Mantel bzw.
Umfangskörper (b) außerhalb eines festen Teils (2a) vorgesehen ist.

6. Magnetisch gelagerter, sich drehender Körper nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben den anderen Bestandteilen zwei Wirbelstromdämpfer (4) vorgesehen sind, die ebenfalls an den
axialen Enden (X, X¹) angeordnet sind.

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